MIT mühendisleri, güneş ve rüzgar enerjisi gibi yenilenebilir enerji depolanmasına dair bir sistem için kavramsal tasarım ortaya koydular. Bu tasarım ile enerjiyi talep üzerine bir elektrik şebekesine geri gönderebilecekler. Sistem, güneş doğduğunda veya rüzgâr esmeye başladığında değil, tüm gün boyunca küçük bir şehre güç sağlamak için tasarlanabilir.
Yeni tasarım, beyaz-sıcak erimiş silikondan oluşan büyük tanklarda güneş enerjisinden veya rüzgar enerjisinden gelen aşırı elektrik tarafından üretilen ısıyı depolar ve daha sonra ihtiyaç duyulduğunda ışığı parlayan parlak metalden elektriğe geri dönüştürür. Araştırmacılar böyle bir sistemin pahalı bir yöntem olan lityum-iyon pillerden çok daha uygun olacağını ve yenilenebilir enerjiyi depolamak için uygulanabilir olacağını tahmin ediyorlar. Sistemin, bugüne kadarki en küçük şebeke-ölçekli enerji depolama formu olan pompalanmış hidroelektrik depolamanın yaklaşık yarısına mal olacağını tahmin ediyorlar.
Robert N. Noyce Kariyer Geliştirme Makine Mühendisliği Bölümünde Doçent olan Asegun Henry; “Şebekeyi şu anda yenilenebilir enerji kaynaklarından çalıştırmak istesek bile yapamadık, çünkü yenilenebilir arzın talep üzerine gönderilememesi için fosil yakıtlı türbinlere ihtiyacınız var. Başarılı olursa, enerji ve iklim değişikliğindeki en önemli ve kritik problemi yani depolama problemini çözecek yeni bir teknoloji geliştiriyoruz.”
Depolama Ayarları
Yeni depolama sistemi, araştırmacıların, yoğunlaştırılmış güneş enerjisi olarak bilinen yenilenebilir enerji formunun verimliliğini artırmanın yollarını aradığı bir projeden kaynaklanıyor. Işığı doğrudan elektriğe dönüştürmek için güneş panellerini kullanan bir merkez kule üzerine yoğunlaşan devasa aynaların büyük alanlarına gereksinim duyuyor.
Henry; “Teknolojinin ilginç olmasının sebebi, ışığı ısıya odaklamak için bu süreci gerçekleştirdiğinizde, elektriği depolayabileceğinizden çok daha ucuza ısı depolayabilmenizdir.”
Konsantre güneş enerjisi sistemleri, yaklaşık 1.000 Fahrenheit yüksek sıcaklığa ısıtılan erimiş tuz ile dolu büyük tanklarda güneş ısısını depolar. Elektrik gerektiğinde, sıcak tuz, tuzun ısısını buhara aktaran bir ısı değiştiriciden pompalanır. Bir türbin, daha sonra bu buharı elektriğe çevirir.
Henry, “Bu teknoloji kısa bir süredir mevcut, ancak düşüncesi, maliyetinin asla doğal gazla rekabet edemeyecek kadar düşük olamayacağıydı. Yani çok daha yüksek sıcaklıklarda çalışmak için önemli bir adım oldu. Bu yüzden daha verimli bir ısı motoru kullanabilir ve maliyetini azaltabilirsiniz.”
Ancak, operatörler tuzu mevcut sıcaklıkların çok üzerinde ısıttıklarında, tuz depolandığı paslanmaz çelik tankları aşındırdı. Bu yüzden Henry’nin ekibi, ısıyı çok daha yüksek sıcaklıklarda saklayabilen bir tuzdan başka bir ortam arıyordu. Başlangıçta bir sıvı metal önerdiler ve sonunda silikon üzerinde karar kıldılar; yeryüzündeki en çok bulunan metal, 4.000 Fahrenheitin üzerinde inanılmaz derecede yüksek sıcaklıklara dayanabilir.
Geçtiğimiz yıl ekip, böyle bir yüksek ısıya dayanabilecek bir pompa geliştirdi. Sıvı silikonun yenilenebilir bir depolama sistemi aracılığıyla pompalanmasını sağlayabildiler. Pompa, kayıtta en yüksek ısı toleransına sahiptir; “Guiness Dünya Rekorları Kitabı” nda yer alan bir başarı. Bu gelişmeden bu yana, ekip böyle bir yüksek sıcaklık pompasını barındırabilecek bir enerji depolama sistemi tasarlıyor.
“Kutunun İçindeki Güneş”
Şimdi, araştırmacılar Termal Enerji Grid Depolama Sistemi-Çoklu Fotovoltaik Birleşme için TEGS-MPV dedikleri yeni bir yenilenebilir enerji depolama sistemi konseptini belirlediler. Aynaları ve ısıyı merkezileştirmek için bir merkez kulesi kullanmak yerine, güneş ışığı veya rüzgar gibi yenilenebilir bir kaynağın ürettiği elektriği, ısınma enerjisiyle, bir elektrik akımının bir ısıtma elemanından geçtiği bir süreçle, termal enerjiye dönüştürmeyi öneriyorlar.
Sistem, gün boyunca fazla elektriği yakalamak ve daha sonra kullanmak üzere saklamak için güneş pilleri gibi mevcut yenilenebilir enerji sistemleriyle eşleştirilebilir. Örneğin, Arizona’daki bir güneş enerjisinden elektriğinin bir kısmını alan küçük bir kasaba düşünün.
Henry, “Herkes işten eve dönüyor, klimalarını açıyor ve güneş batıyor, ama hala sıcak. Bu noktada, fotovoltaiklerin çok fazla çıkışı olmayacak. Aşırı elektrik, burada icat ettiğimiz depolama sistemine yönlendirilebilir.”
Sistem, grafitten yapılmış ve yaklaşık 3.500 derece Fahrenheit “soğuk” bir sıcaklıkta tutulan, sıvı silikon ile doldurulmuş, 10 metre genişliğinde, büyük bir izolasyonlu tanktan oluşacaktır. Isıtma elemanlarına maruz kalan borulardan biri, daha sonra bu soğuk tankı ikinci bir “sıcak” depoya bağlar. Şehrin güneş hücrelerinden gelen elektrik sisteme girdiğinde, bu enerji ısıtma elemanlarında ısıya dönüşür. Bu arada, sıvı silikon soğuk tanktan dışarı pompalanır ve ısıtma elemanlarına maruz kalan borulardan geçerken ve ısı enerjisinin yaklaşık 4,300 F. daha yüksek bir sıcaklıkta depolandığı sıcak tankın içine doğru ısınır.
Elektriğe ihtiyaç duyulduğunda, güneş battıktan sonra, sıcak sıvı silisyum (çok sıcaktır ve parlak beyaz görünür) bu ışığı yayan bir dizi tüpün içinden pompalanır. Çok-katlı fotovoltaik olarak bilinen özel güneş pilleri, daha sonra bu ışığı elektriğe çevirir. Şimdi soğutulmuş silikon, bir sonraki depolamaya kadar soğuk depoya geri pompalanabilir; büyük bir şarj edilebilir pil gibi etkili bir şekilde davranır.
Henry; “İnsanlar bu konsept için güzel isimler aramaya başladı. “Kutunun İçindeki Güneş” ise meslektaşım Shannon Yee tarafından bulunan bir isim. Temel olarak bir kutuda bulunan ve sıcaklığı yakalayan son derece yoğun bir ışık kaynağı.”
Depolamanın Anahtarı
Henry; “Sistemin içinde erimiş sıvıyı yalıtmaya yetecek kadar kalın ve güçlü tanklara ihtiyaç duyulacaktır. Bu malzeme iç kısımda sıcak ve beyaz ama dışarıdan dokunduğunuzda oda sıcaklığında olmalıdır.”
Tankların grafitden yapılmasını önerdi. Ancak, silikonun, böyle yüksek sıcaklıklarda, tankın aşınmasına neden olabilecek silikon karbür üretmek için grafit ile reaksiyona gireceğine dair endişeler vardır. Bu olasılığı test etmek için, ekip minyatür bir grafit tankını imal etti ve sıvı silikonla doldurdu. Sıvı, yaklaşık 60 dakika boyunca 3.600 F’de tutulduğunda, silisyum karbür oluşmuştur. Ancak tankı aşındırmak yerine ince, koruyucu bir astar oluşturdu.
Henry, “Grafite yapışıyor ve daha fazla reaksiyonu engelleyen koruyucu bir tabaka oluşturuyor. Yani bu tankı grafitden kurtarabilir ve silikon tarafından aşınmaz.”
Grup ayrıca bir başka zorluğu da çözüme ulaştırdı. Sistemin tankları çok büyük boyutta olacağından, onları tek bir grafit parçasından inşa etmek imkansız olurdu. Birden fazla parçadan yapılmışlarsa, bunlar erimiş sıvının dışarı sızmasını önleyecek şekilde mühürlenmelidir. Araştırmacılar çalışmalarında, grafit parçalarını karbon fiber civatalarla vidalayıp, grafoil ile kaplayarak herhangi bir sızıntının önlenebileceğini, yüksek sıcaklıkta sızdırmazlık sağlayan esnek grafit olduğunu gösterdiler. Araştırmacılar, tek bir depolama sisteminin, yaklaşık 100.000 evin yani küçük bir şehrin tamamen yenilenebilir enerji ile güçlendirilmesini sağlayabileceğini tahmin ediyor.
Henry, “Bu coğrafi olarak sınırsızdır ve pompalanan hidrojenden daha ucuzdur. Bu çok heyecan verici. Çünkü teoride, tüm şebekeye güç sağlamak için yenilenebilir enerjiyi sağlayan bağlantıdır.”